燃?xì)忮仩t煙氣余熱的深度回收與利用原創(chuàng) 孟繼安 等 悅智網(wǎng) 2017-07-13 15:20燃?xì)忮仩t排出的白煙溫度為60～90攝氏度，屬于低品位余熱資

燃?xì)忮仩t煙氣余熱的深度回收與利用

原創(chuàng) 孟繼安 等 悅智網(wǎng) 2017-07-13 15:20

燃?xì)忮仩t排出的白煙溫度為60～90攝氏度，屬于低品位余熱資源。煙氣中水蒸氣的質(zhì)量含量達(dá)10%以上，采用噴淋填料換熱和熱泵技術(shù)，可深度回收煙氣顯熱和潛熱用于供熱。若排煙溫度降至30攝氏度以下，鍋爐熱效率可提高10%以上，同時(shí)，可吸收煙氣中的氮氧化物，回收冷凝水，具有節(jié)能、減排和節(jié)水的綜合效益。
按人均計(jì)算，我國(guó)的石油、天然氣資源十分稀缺，目前，我國(guó)已成為石油第一進(jìn)口大國(guó)。為了實(shí)現(xiàn)全面小康，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，節(jié)約能源、回收并利用生產(chǎn)生活中排放的余熱資源，是我國(guó)長(zhǎng)期的基本國(guó)策。
在20世紀(jì)50年代初期，看到高高的煙囪冒出滾滾濃煙，是一件讓人高興的事兒，說(shuō)明新的工廠投產(chǎn)了。然而，改革開放后的近40年，空氣污染、水污染、土壤污染已經(jīng)成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的“攔路虎”，需要花大力氣去解決。唯GDP時(shí)代已成過(guò)去，綠色經(jīng)濟(jì)已提上日程。以北京為例，多年來(lái)實(shí)施煤改氣、煤改電的努力已初見成效。在供暖季，中心城區(qū)的家用小煤爐不見了，燃煤鍋爐冒出的黑煙也難覓蹤跡，取而代之的是燃燒潔凈天然氣的燃?xì)忮仩t冒出的滾滾白煙。那么，隨風(fēng)飄散的白煙是否還有利用價(jià)值呢?
1. 排出的白煙里都有什么?
與煤相比，天然氣是潔凈能源，其中93%以上是甲烷。北京地區(qū)使用的天然氣低位發(fā)熱量為34705千焦/立方米。天然氣燃燒需要氧氣，在燃?xì)忮仩t中，天然氣燃燒的過(guò)量空氣系數(shù)通常為1.2，也就是說(shuō)，輸入的空氣為天然氣完全燃燒所需空氣的1.2倍。若天然氣在鍋爐中充分燃燒，經(jīng)省煤器（在排煙之前用來(lái)加熱新鮮冷空氣以便節(jié)能的換熱設(shè)備）降溫后排入大氣的白煙中含有水蒸氣，其體積含量接近16%，質(zhì)量含量超過(guò)10%。
水蒸氣降溫后凝結(jié)成小水珠，與其他排出的氣體一起形成白煙。排放的白色煙霧中有13%的二氧化碳（質(zhì)量含量），二氧化碳屬于溫室氣體，大量溫室氣體包圍地球，就像給地球蓋了個(gè)玻璃暖房，使地球表面溫度不斷上升，從而導(dǎo)致一系列惡劣天氣，如極度炎熱、水災(zāi)、大旱等。
目前所倡導(dǎo)的低碳經(jīng)濟(jì)，指的就是減少二氧化碳的排放。在燃燒過(guò)程中，氮?dú)夂脱鯕鈺?huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮氧化物（NOX)，其中主要是一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物是污染物，是形成空氣中的PM2.5的元兇之一；二氧化氮與水結(jié)合可生成酸性很強(qiáng)的硝酸，所以，人吸入含有氮氧化物的空氣時(shí)會(huì)感覺(jué)很不舒服，過(guò)量吸入氮氧化物可嚴(yán)重危害身體健康。二氧化碳可使地球升溫，氮氧化物污染空氣、危害人類身體健康，屬于排煙中的有害成分，但是，其中所含的水蒸氣，卻是可以回收利用的，對(duì)北方干旱缺水的地區(qū)更是如此。
除了上述有形的成分外，排放的煙氣中還有無(wú)形的能量。一般說(shuō)來(lái)，考慮到煙氣中含有大量水蒸氣，因此在省煤器中，煙氣溫度不能降得太低。若煙氣溫度降至露點(diǎn)以下，水蒸氣會(huì)凝結(jié)成水，當(dāng)冷凝水附著于省煤器的翅片表面時(shí)，因其中含有酸性成分，會(huì)腐蝕翅片，縮短省煤器的使用壽命；若水在省煤器的翅片間架橋，則會(huì)嚴(yán)重惡化省煤器的換熱性能。通常情況下，經(jīng)過(guò)省煤器后的排煙溫度大約為80～90攝氏度，新建鍋爐的排煙溫度更低，可低至60攝氏度左右，已經(jīng)接近露點(diǎn)。
排放的煙氣中有熱能可以回收利用，水蒸氣未凝結(jié)時(shí)煙氣溫度降低所釋放的熱量稱為顯熱，若煙氣溫度降至露點(diǎn)以下，水蒸氣會(huì)凝結(jié)成水，同時(shí)釋放汽化潛熱。與顯熱相比，水的汽化潛熱很大，所以，在可以回收的煙氣余熱中，潛熱占比很高。所謂煙氣余熱的深度回收，指的就是既要回收煙氣的顯熱，也要回收煙氣的潛熱。若煙氣溫度為60攝氏度，經(jīng)深度余熱回收后的排煙溫度為30攝氏度，相當(dāng)于提高鍋爐熱效率10%左右。如能將排煙溫度降至30攝氏度以下，則可回收利用的熱量更多。
2.如何實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度回收與利用？
燃?xì)忮仩t的排煙溫度較低，屬于典型的低品位余熱資源。對(duì)于供熱鍋爐或熱電廠來(lái)說(shuō)，此類低品位余熱可回收后用于供熱，這樣既可提高能源利用效率，又可減少二氧化碳和氮氧化物的排放。對(duì)大型燃?xì)忮仩t來(lái)說(shuō)，進(jìn)行煙氣余熱的深度回收，換熱器的設(shè)計(jì)十分重要。回收煙氣余熱，首先要通過(guò)換熱器將煙氣的余熱傳遞給中間介質(zhì)。
很顯然，與間壁式換熱相比，煙氣和水直接接觸換熱的效果更好，而且煙氣降溫產(chǎn)生的冷凝水直接匯入循環(huán)水中還便于回收。目前，煙氣和水直接接觸換熱有兩種方法可供選擇：

• 一種是空塔內(nèi)煙氣和循環(huán)水的逆流接觸換熱。該方法為了盡可能地回收煙氣余熱，需要將水霧化以增加煙氣和水之間的接觸面積，同時(shí)，循環(huán)水的流量還要足夠大，以彌補(bǔ)煙氣和循環(huán)水在換熱塔內(nèi)停留時(shí)間短的不足。
• 第二種方法是煙氣和水膜接觸換熱，該技術(shù)中循環(huán)水以噴淋的形式自上而下落入換熱塔內(nèi)的多孔填料，在填料表面滴濺并鋪展成水膜，煙氣自下而上流經(jīng)填料的蜿蜒曲折通道，與循環(huán)水進(jìn)行熱質(zhì)交換。兩種方法相比，前者煙氣流阻和循環(huán)水流量大，運(yùn)行成本高；后者煙氣和循環(huán)水在換熱塔內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)（填料的曲折通道遠(yuǎn)大于換熱塔內(nèi)空間的高度），換熱面積大幅增加，換熱性能更好，而且相同換熱功率下煙氣流阻小，所需循環(huán)水流量小，運(yùn)行成本大幅降低。

通常情況下，為保證用戶的室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)，供熱的出水溫度較高。若煙氣溫度高于供熱溫度，可采用間壁式換熱方式直接將熱網(wǎng)水加熱至所需溫度用于供熱。對(duì)于溫度較低的煙氣來(lái)說(shuō)，與循環(huán)水進(jìn)行熱交換后循環(huán)水的溫度遠(yuǎn)未達(dá)到供熱溫度，這就需要采用熱泵技術(shù)。所謂水往低處流，指的是水總是自發(fā)地從高處流往低處。但是，水也可以從低處流往高處，只是需要外力輔助。要么需要水泵，如自來(lái)水、熱網(wǎng)水流向樓房高層；要么需要消耗水流的動(dòng)能，如洶涌的河水遇到障礙可以沖向高處。
熱量的傳輸也是如此。通常，熱量只能自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體，若要使熱量從低溫物體傳至高溫物體，則需要外界對(duì)系統(tǒng)做功。家用空調(diào)就是一種典型的熱泵，夏天工作在制冷模式，從室內(nèi)吸收熱量傳至室外，使室溫降低；冬天工作在制熱模式，則從室外冷環(huán)境取熱傳至室內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高。由于供熱鍋爐燃燒天然氣，所以，其煙氣余熱回收系統(tǒng)通常采用燃燒天然氣驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵。熱泵從升溫后的循環(huán)水中取熱（循環(huán)水所吸收的煙氣余熱）加熱熱網(wǎng)水，降溫后的循環(huán)水則回到換熱塔循環(huán)使用。
前面提到，煙氣中含有氮氧化物，在煙氣與循環(huán)水接觸換熱的過(guò)程中，氮氧化物被循環(huán)水吸收，使升溫后的循環(huán)水具有一定的酸性。為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行并使煙氣降溫生成的冷凝水安全排放，在余熱利用的同時(shí)，還需要對(duì)弱酸性循環(huán)水進(jìn)行處理，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。最常用的方法是按需添加堿液（如氫氧化鈉溶液），堿液中的堿性物質(zhì)與循環(huán)水中的酸性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，可使循環(huán)水的酸堿度（pH值）達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
3.煙氣余熱回收利用工程實(shí)例
由北京源深節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司實(shí)施的“望京藍(lán)天燃?xì)夤徨仩t煙氣余熱的深度回收與氮氧化物（NOX）低溫氧化脫硝示范工程”于2014—2015年供暖季調(diào)試運(yùn)行，其工藝原理如圖1所示。

• 來(lái)自煙道的天然氣燃燒產(chǎn)生的低溫含濕煙氣進(jìn)入噴淋填料換熱塔前，加入適量臭氧，將NO氧化為N2O5等；
• 風(fēng)機(jī)將煙氣送入噴淋填料換熱塔，與水在噴淋填料換熱塔內(nèi)進(jìn)行直接接觸式的逆流熱質(zhì)交換，煙氣放出熱量的同時(shí)，其中的酸性物質(zhì)和粉塵顆粒物被噴淋水吸收；
• 噴淋水吸收了煙氣的顯熱和潛熱后進(jìn)入熱泵，熱泵從循環(huán)水中取熱用以加熱熱網(wǎng)水，噴淋水通過(guò)熱泵換熱降溫后回到換熱塔循環(huán)使用；
• 煙氣經(jīng)降溫減濕、脫硝凈化后輸送至煙囪排入大氣，而煙氣冷卻后產(chǎn)生的冷凝水經(jīng)處理后通過(guò)自動(dòng)排放裝置自動(dòng)排出；
• 同時(shí)根據(jù)噴淋水的pH值自動(dòng)加入堿液，以使噴淋水保持合適的酸堿度。系統(tǒng)通過(guò)PID系統(tǒng)調(diào)節(jié)臭氧加入量和堿液加入量，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的NO氧化率和NOx的吸收率；
• 調(diào)節(jié)噴淋水流量和進(jìn)口溫度，可實(shí)現(xiàn)最佳的噴淋填料換熱塔余熱回收與脫硝效果；
• 調(diào)節(jié)排水量，維持系統(tǒng)平衡與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；調(diào)節(jié)熱泵中作為高溫?zé)嵩吹奶烊粴饬髁浚瑢?shí)現(xiàn)噴淋填料換熱塔與熱泵負(fù)荷的優(yōu)化和匹配。

圖1
供熱鍋爐煙氣余熱回收工程工藝原理圖

圖2為余熱回收工程的噴淋填料換熱塔。塔身采用不銹鋼一體化制造工藝，包括噴淋換熱層、儲(chǔ)水層和堿液箱。在噴淋換熱塔內(nèi)，從上到下布置有除水器、零壓自旋轉(zhuǎn)噴淋器和填料，填料將換熱塔分成淋雨區(qū)、填料區(qū)和噴淋區(qū)。煙氣在塔內(nèi)經(jīng)過(guò)降溫減濕后通過(guò)頂部的除水器去除攜帶的冷凝水后排出，經(jīng)煙道排入大氣。噴淋水從頂部的零壓自旋轉(zhuǎn)噴淋器噴出，與煙氣熱質(zhì)交換后在底部?jī)?chǔ)水層積聚，而后通過(guò)水泵將其送入熱泵用于加熱熱網(wǎng)水。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，從底部堿液箱中自動(dòng)抽取適量堿液，用于中和噴淋水所吸收的NOx等酸性物質(zhì)，以維持系統(tǒng)的pH值。

圖2
噴淋填料換熱塔

為了盡可能降低氮氧化物的排放，該工程配備了一臺(tái)臭氧發(fā)生器。加入適量臭氧，使排煙中的NO氧化為N2O5等，以便被循環(huán)水吸收。
圖3為該工程168小時(shí)連續(xù)運(yùn)行時(shí)煙氣余熱回收功率和供熱功率的實(shí)時(shí)變化。系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)且滿負(fù)荷運(yùn)行；煙氣余熱回收功率為3 兆瓦；供熱功率受用戶負(fù)荷變化存在波動(dòng)，但大部分時(shí)間的供熱功率為7.2兆瓦。
圖3
煙氣余熱回收量和熱泵供熱量隨時(shí)間變化

經(jīng)測(cè)算，若系統(tǒng)在額定工況下滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，北京地區(qū)采暖季按125天計(jì)算，與常規(guī)燃?xì)忮仩t供熱相比，每個(gè)采暖季以消耗19.11萬(wàn)千瓦小時(shí)電量的代價(jià)，可回收3.3萬(wàn)吉焦的余熱，相當(dāng)于減少天然氣使用量106萬(wàn)立方米，按現(xiàn)行天然氣價(jià)格計(jì)算，相當(dāng)于節(jié)約286萬(wàn)元，投資回收期為2～3年。
同時(shí)，當(dāng)臭氧加入量為8千克/小時(shí)的時(shí)候，排煙中的NOx含量小于30 毫克/立方米，滿足DB11 139-2015《北京市鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。與常規(guī)鍋爐供熱方案相比，該工程每年減排二氧化碳1630噸，減排氮氧化物8.1噸，回收冷凝水6700噸，其經(jīng)濟(jì)效益和減排效果十分顯著。
致謝：感謝973計(jì)劃項(xiàng)目“工業(yè)余熱高效綜合利用的重大共性基礎(chǔ)問(wèn)題研究”課題 “余熱輸運(yùn)與轉(zhuǎn)換過(guò)程優(yōu)化的原理、技術(shù)與應(yīng)用”（課題編號(hào)：2013CB228301）的支持。
專家簡(jiǎn)介孟繼安：博士，清華大學(xué)高級(jí)工程師。
朱曉磊：博士，上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院工程師。
鐘達(dá)文：博士，華北電力大學(xué)講師。
隋曉峰：北京源深節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司總經(jīng)理。
趙巖：北京源深節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司教授級(jí)高級(jí)工程師。
李志信：清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。